一種上進液式銅箔一體機設備

吳芬，楊奓勝

(1.南京機電職業技術學院自動化系，江蘇南京211135；2.南京順捷機械設備有限公司，江蘇南京211111)

0 概述

自1955年Yates商業化電解銅箔以來，其生產工藝基本沒有改變，一直都采用“下進液、上溢流”的生產方式。具體的生產工藝如下:將表面粗糙度Ra≤0.25um的陰極輥軸線以下浸泡在含銅量70～110g/L、含酸量80～130g/L、溫度40～65℃之間的硫酸銅溶液的陽極槽中，并在陰極輥和陽極支承之間通入電流。根據電鍍原理，陰極輥在流動的硫酸銅溶液浸泡部分表面會鍍上銅晶粒，在電流一定的情況下陰極輥表面所鍍銅箔的厚度取決于陰極輥在硫酸銅溶液中電鍍時間，通過改變陰極輥在硫酸銅溶液中的轉速也可以改變陰極輥表面所鍍銅箔的厚度，因此，隨著陰極輥的轉動可以得到不同厚度的銅箔，鍍在陰極輥表面的銅箔會被揭下，以便進行連續不斷的電鍍。

通常將銅箔貼于陰極輥表面的一側稱為光面，將鍍層面稱為毛面，由于電鍍過程中的極化作用，在銅箔的毛面會產生像山峰一樣不規則的銅晶粒。銅箔越厚，其毛面的銅晶粒就越大，表面粗糙度也越大。傳統生產中，是通過加入明膠或改性明膠、硫脲等添加劑來控制毛面的粗糙度Ra，以保證銅箔的品質，它對于陽極槽中的流體力學問題沒有良好的解決方案。

下進液的方式存著著一些弊端。首先，下進液會在進液口附近產生很大的亂流，它的雷諾數遠超過2 000，這是造成銅箔厚薄不均的主要原因。傳統的設備是靠進液閥門及屏蔽板來調節銅箔厚度，這種調節是暫時的，非常不穩定，每一、兩天就得調整一次。屏蔽板的費用很高，但只能用一到兩次，對于連續生產來說，這是一個很嚴重的問題。其次，在開放式下進液中，電解液是一次電解液和二次電解液的混合液，其中，一次電解液是硫酸銅原液，二次電解液是經陽極槽流出的硫酸銅電解液，一次電解液與二次電解液的含量比值＞0.5。回流到溶銅系統的電解液是二次電解液，濃度較低，在液面累積了很多氣泡，與一次電解液合并后，再次從陽極槽底端流入，將不利于晶核的生成，也是造成銅箔翹曲及針孔的一大因素。

1 傳統設備的工作原理及其存在的問題

目前，電解銅箔的生產已經淘汰了不環保、容易侵蝕的鉛陽極，改用表面設有導電涂覆層的鈦銥陽極，但其生產工藝仍是電解液從陽極槽的底端流入，從陽極槽的上端口流出，然后回流到溶銅系統。這種“下進液、上溢流”的傳輸方式，使電解液流量在陰極輥表面形成的流速始終低于0.5m/s，形成的銅箔結晶是柱狀的結構，雖然用光亮添加劑可以改變常溫下的結晶結構及物性，但在高溫下很不穩定，抗拉強度衰減很大，也容易產生針孔及翹曲。若電解液流量在陰極輥表面形成的流速＞0.5m/s，將會對銅箔表面品質、氧化程度和銅箔晶粒的致密度產生很大的影響。由于在電解液中加入了大量添加劑，當電解液回流到溶銅系統時，為提高電解液的品質，需要濾掉上述添加劑，通過多套過濾設備才完成。

由于電解液是自下向上流動的，電解液中的銅離子被電鍍到陰極輥的過程中會析出氧氣，產生大量氣泡，氣泡被電解液從陽極槽的上端口帶出，形成的硫酸煙氣會氧化剛從陰極輥上揭下的銅箔表面，會影響電鍍的效果，對操作人員也是很大的損害。因此，必須在陽極槽口設置大排量的抽風口來解決這一問題。這使得傳統銅箔生產設備結構復雜，工藝增多，控制難度大。

2 新型設備的結構與原理

本公司新開發的上進液式銅箔一體機設備，將傳統的陽極槽中的電解液由下而上的流動，改為由上而下的流動，以提高流動速度和平穩性，使銅箔品質得到明顯提高。

2.1 上進液結構組成

設備主要包括由陰極輥、陽極槽、電解液輸送裝置、電解液回流接收裝置，陰極輥在陽極槽中轉動，陽極槽設有電解液流入端口和電解液流出端口。其中，電解液輸送裝置與陽極槽的電解液流入端口連通，電解液流出端口與電解液回流接收裝置連通，電解液回流接收裝置與陽極槽電解液流入端口之間通過一個電解液補充裝置連通，電解液補充泵與陽極槽電解液流入端口之間連通的管路中設置有電解液回流流量調節閥。電解液輸送通路中設置有位于陽極槽上方的高位槽，高位槽通過管路與陽極槽電解液流入端口連通，在高位槽與陽極槽電解液流入端口的管路中設置有流量調節閥，使得電解液從上進液裝置流出時產生的氣泡較少且流量可以準確調節。設備整體示意圖如圖1所示。

圖1 上進液式銅箔一體機整體示意圖

2.2 工作原理與過程

上進液銅箔一體機設備中，電解液從陰極輥中心軸兩側的陽極槽上端口流入，從陽極槽底端流出，為了減少陽極槽內的酸氣、改善銅箔表面的氧化程度、粗糙度和銅箔晶粒的致密度，電解液流入時流速比較快≥0.5m/s，在陰極輥流入兩側面形成與氣泡走向相反的流速沖力，當銅箔層表面粗糙度大于設定值時，提高電解液的流速；當銅箔層表面粗糙度小于設定值時，降低電解液的流速。可以通過改變電解液的輸送方向來減少電解液中氣泡的產生和提高電解液的流速，實現對陰極輥表面剝下的銅箔的氧化程度和銅箔晶粒的致密度進行控制，并通過控制電解液在陰極輥表面的流速來控制銅箔表面的粗糙度。

2.3 新型設備的特點與效果

電子行業對銅箔的均厚有很高的要求，因此在生產電解銅箔時，對銅箔均厚的控制就顯得尤為重要。上進液式銅箔一體機設備，通過在陽極槽電解液流入端口設置調節裝置來控制銅箔均厚，如圖2所示。具體是在陽極槽電解液流入端口設有均勻分布的矩形板13，其與螺桿、螺母、導軌一起共同組成了進液口調節裝置。其中，矩形板與螺桿連成一體，螺桿與固定在陽極支承上螺母相互轉動來調節矩形板，進而準確調節進液口不同位置的進液量，最終調節銅箔橫斷面的均勻厚度。當銅箔在一定范圍內的平均厚度低于設定值時，則提高電解液的流量，當銅箔在一定范圍內的平均厚度高于設定值時，則降低電解液的流量。

圖2 流量調節裝置示意圖

3 結論

與目前市場上其他廠家生產的銅箔設備相比，本設備具有突出的優點:

1)銅箔表面品質的控制不再完全依賴添加劑，可以控制電解液在陰極輥表面的較高流速來控制銅離子的電鍍密度和原箔的表面粗糙度，從傳統的添加劑工藝控制銅箔品質到設備制造精度控制銅箔品質，這樣的變革，在銅箔生產歷史上是非常顯著的進步。

2)上進液式銅箔一體機設備，顯著降低了對過濾裝置的要求，使設備比傳統的生箔機設備結構簡單。

3)該銅箔一體機設備的控制過程易于操作。

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